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全息「Holography」发展历史与呈像原理

阅读量:3808337 2019-10-26


奇美的水下舞台,古装大片般刚柔并合的演出,最抓眼球的就是《美丽的爱情传说》和《天鹅湖》的全息投影技术的展现。

3D全息投影是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像,是一种无需配戴眼镜的3D技术,观众可以看到立体的虚拟人物。这项技术在一些博物馆应用较多。

全息技术简介
全息(Holography)(来自于拉丁词汇,whole+ drawing的复合),特指一种技术,可以让从物体发射的衍射光能够被重现,其位置和大小同之前一模一样。从不同的位置观测此物体,其显示的像也会变化。因此,这种技术拍下来的照片是三维的。
全息投影技术(front-projectedholographic display)也称虚拟成像技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻像,还可以使幻像与表演者产生互动,一起完成表演,产生令人震撼的演出效果。

发展历史
1947年,英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影术,他因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。其实,这个发明是盖伯在英国BTH公司研究增强电子显微镜性能手段时的偶然发现,此后,这项技术也就一直应用于电子显微技术中,在这个领域中被称为电子全息投影技术。
直到1960年激光的发明才使全息投影技术取得了实质性的进展。第一张实际记录了三维物体的光学全息投影照片是在1962年由苏联科学家尤里·丹尼苏克拍摄的。与此同时,美国密歇根大学雷达实验室的工作人员艾米特·利思和尤里斯·乌帕特尼克斯也发明了同样的技术。尼古拉斯·菲利普斯改进了光化学加工技术,以生产高质量的全息投影图片。

全息图像成像原理
普通照相,只能记录物体光场的强度(复振幅模的平方),它不能表征物体的全部信息。采用全息方法,同样也是记录光场的强度,但它是参考光和物光干涉后的强度。对采用如此方法记录下来的光强(晶体或全息胶片中),利用参考光再现时,可以将全面表征物体信息的物光的复振幅表现出来。
全息图像的拍摄与重现要利用光的干涉与衍射原理。首先,得具备相干光源。所谓相干光,是指两束满足相干条件的光,这两束光在相遇区域需要满足:①振动方向相同;②振动频率相同;③相位相同或相位差保持恒定。由于激光具有很好的空间相干性和时间相干性,为全息照相提供了一个理想的光源,这也是为什么自1960年激光发明后,全息照相技术得到快速发展的原因。

1、第一步,利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片。
2、第二步,利用衍射原理再现物体光波信息,这是成像过程:全息图犹如一个复杂的光栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个像,即原始像(又称初始像)和共轭像。再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。
全息投影的发展及运用
促使全息投影在短短的一段时间内就蓬勃发展的关键原因是低成本的固体激光器的大规模生产,如DVD播放机和其他的一些常用设备中所使用的激光器。这些激光器对全息投影的发展也产生了极大的促进作用。这些廉价的体积又很小的固体激光器可以在某些条件下与最初用于全息投影的那些大型的昂贵的气体激光器相媲美,因此使得预算较低的研究者、艺术家甚至业余爱好者都可以参与到全息投影研究中来。
从事全息投影设备生产的厂家也有很多。例如,德国Sax 3D公司,很多我们在演唱会、T台中所见到的全息投影表演都来自于这家公司所提供的全息投影技术。这种技术应用到舞台当中时,拥有超高分辨率的激光投射装置(一般是2个以上的专业投影仪交叉投射)会将功率较高的光线投射在固定的介质之上。而这个介质,一般都是拥有高透光率的一块半透明幕布,且折射精度要做到每像素100纳米级别。在个别时候,瀑布、水幕、甚至云彩也都可以充当这个“介质”的角色,只不过应用场景不同罢了。
除了“幕布式”全息投影技术,“金字塔形”全息投影也是一种相对廉价的解决方案。在没正式使用幕布式全息投影技术之前,对高科技非常感兴趣的周杰伦就曾在几年前的“超时代演唱会”中使用过“金字塔形”全息投影。

从上述几种全息投影方案来看,它们无一例外的使用了半透膜或类似载体作为显像所需的“屏幕”。前不久,日本的Aerial Burton宣布研究出了以空气为介质的全息投影技术,号称不需要任何屏幕就能在空气中投射影像,据介绍,该套空气投影系统使用了一系列精准调节的激光发射器,选择性的电离空气分子使之发出白光。不过,从Aerial Burton展示的图片可以看出,这种以空气为介质的全息投影技术仍处于一个不是很实用的雏形阶段。

与AR相同,全息也分为多种子类别,技术复杂程度不同,也分别用于不同场景:
1,超立体显示屏:又名超多视点立体显示屏、光场显示技术,是全息技术最通用的一个类别。Looking Glass、Leia、FOVI3D、Light Field Lab、Avalon Holographics均提供支持超立体显示的全息技术。
利用动态合成的光场,超立体显示技术可生成支持多人裸眼观看的3D全息影像,不需要移动的硬件部分、头显或追踪技术。其原理是通过发射大量光线并对其方向进行精准调整,为每个场景实时生成几十个甚至数百个视角。
2,扫描体成像技术:Voxon就是扫描体成像技术的一个例子,其原理是通过来回摆动的立体像素(平板或螺旋状光源)来实现全息显示。在几十年前,扫描体成像技术可能被认为是3D全息界面的终极形态,不过现在来讲利用摆动元件的方案难以规模化。
3,2D伪全息:这可能是一个比较常见的全息技术,其包括HYPERVSN等2D旋转LED风扇系统,或者数字王国(邓丽君全息演唱会)、VNTANA等公司采用的佩珀尔幻象原理。2D伪全息通常用于营销和娱乐场景,尤其适合远处观看(距离9米或更远)。
4,真正意义上的全息:从技术层面上来讲,全息指的是以激光为光源,照射高分辨率全息感光胶片上干涉条纹所产生的虚实两个立体影像,在不同视角观看的效果也不同,看起来十分立体。目前这种技术已经很少被提及,多半是由于其效果不够动态,而且不支持全色彩显示。

也有人会说,基于全息感光胶片的全息才是真的,《星球大战》等科幻电影中描绘并不是真正意义的全息,而其实是立体显示技术。这也是全息显示与AR之间的不同之处,Meta前首席光学工程师Barmak Heshmat甚至认为目前AR头显叠加在真实环境之上的更像是IMAX 3D影像,而不是全息。
应用场景方面,在微软、Magic Leap等公司推动下,AR在培训、术前规划、3D设计、广告、教育等B端场景的应用似乎比全息技术更广泛,这可能与可规模化、成本等因素有关。全息技术看起来更”高大上“,一般可用于医疗成像、广告营销,随着Looking Glass全息显示屏的推出,也有望进一步开启3D设计市场。

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